JP3693264B2

JP3693264B2 - 超音波診断装置

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Publication number: JP3693264B2
Application number: JP19969695A
Authority: JP
Inventors: 孝信内堀
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2015-08-04
Also published as: JPH08229039A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波のドプラ効果を利用して血液等、被検体内の運動状態を診断する超音波診断装置に係り、特に高精度でドプラ偏移の最高周波数を検出する超音波診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、超音波パルスドプラ法とパルス反射法とを併用することによって一つの超音波プローブで血流情報と断層像（白黒Ｂモード像）情報を得、血流情報をリアルタイムで表示するようにした超音波診断装置が知られている。
【０００３】
図１１は、従来の超音波診断装置の機能ブロック図を示している。図１１に示すように、従来の超音波診断装置１００は、超音波振動子１０１と、パルサ１０３と、前置増幅器１０５と、ミキサ１０７と、ローパスフィルタ１０９と、サンプルホールド回路１１１と、バンドパスフィルタ１１３と、高速フーリエ変換器（以下ＦＦＴと記す）１１５と、表示器１１７と、レンジゲート回路１１９と、パルス発生回路１２１とを備えている。
【０００４】
次に、従来の超音波診断装置１００を用いて血流速度を測定する場合の動作原理を図１１と図１２を用いて説明する。
【０００５】
まず、パルス発生回路１２１は、クロックパルスａを発振し、このクロックパルスａをレンジゲート回路１１９に出力する。また、パルス発生回路１２１は、分周回路およびゲート回路等を備え、このクロックパルスａに基づき超音波繰り返し周波数に相当するレートパルスｂを発生し、パルサ１０３およびレンジゲート回路１１９に出力する。
【０００６】
パルサ１０３は、供給されたレートパルスｂから高電圧の駆動パルスを作り、超音波振動子１０１を駆動する。超音波振動子１０１は、電気信号を機械振動に変換し、生体表面Ｐを介して生体内へ超音波を送波する。この超音波は生体内の血管壁および血管内の血流（主に赤血球）により一部反射され、そのエコー信号は同一の超音波振動子１０１で受信され、電気信号ｄに変換される。
【０００７】
すなわち、被検体である生体内を流れている血流に対して超音波パルスを送波すると、この超音波ビームの中心周波数ｆｃは、流動する血流によって散乱され、ドプラ偏移を受けて周波数ｆｄだけ変化する。このため、受信周波数ｆはｆ＝ｆｃ＋ｆｄとなる。このとき、周波数ｆｃ，ｆｄは、次の式（１）により現される。
ｆｄ＝（２・Ｖ・ｃｏｓθ／Ｃ）・ｆｃ …（１）
ここで、Ｖは血流速度、θは超音波ビームと血流との成す角度、Ｃは生体内の音速（約１５３０ｍ／Ｓ）を表している。
【０００８】
したがって、ドプラ偏移ｆｄを検出することによって血流速度Ｖを得ることができる。
【０００９】
前置増幅器１０５は、超音波振動子１０１から入力する前記電気信号ｄを増幅した後、ミキサ１０７に入力する。ミキサ１０７は前置増幅器１０５から入力する電気信号ｄとクロックパルス発生部１２１から入力するクロックパルスａとを混合する。そしてローパスフィルタ１０９は、ミキサ１０７から入力する混合信号の内、超音波周波数等の高周波成分を除去する。
【００１０】
そして生体内の血流が流れている深さの位置Ｏだけのドプラ信号を抽出するために、ローパスフィルタ１０９からの信号をサンプルホールド回路１１１に出力する。
【００１１】
レンジゲート回路１１９は、遅延時間が任意に設定できるが、ここでは、超音波が超音波振動子１０１からレンジゲート位置（サンプリングポイント位置）Ｏまでの往復する時間だけ、信号ｄより遅延させ、設定された長さに対応する幅を有するサンプリングパルスｃをサンプルホールド回路１１１に加える。
【００１２】
前記レンジゲート位置Ｏは操作者が超音波断層像中の血流信号を得たい血管に、トラックボールやジョイスティック等のポインティングデバイスを用いて自由に位置を合わせることが可能である。
【００１３】
サンプルホールド回路１１１は、サンプリングパルスｃによりローパスフィルタ１０９の出力信号をサンプルホールドする。バンドパスフィルタ１１３は、サンプルホールド回路１１１でのサンプリングにより生じた高周波成分並びに血管等の固定反射信号または比較的ゆっくりした動きによるドプラ偏移周波数を除去し、血流によるドプラ信号のみを抽出する。次に周波数分析器としてのＦＦＴ１１５を介して周波数スペクトルパターンを表示器１１７に表示する。
【００１４】
このようにして、超音波診断装置１００は血流速度に対応するドプラ偏移周波数を検出、表示するとともに、最高周波数を検出して表示している。
【００１５】
次に、従来の最高周波数の検出アルゴリズムを図１３に示す周波数スペクトルが得られた場合を例に説明する。従来の超音波診断装置１００は、図１３（ａ），（ｂ）に示すようにパワー値のピーク値を基準にし、このピーク値より所定の比率低い値を閾値とし、この閾値を最初に越える所のドプラ偏移周波数を最高周波数としている。
【００１６】
なお、最高周波数とは、流れの方向（順流方向（超音波プローブに近付く方向）の場合は図１３中、（＋）ｆ側、逆流方向（超音波プローブから遠ざかる方向）の場合は図１３中、（−）ｆ側）から０Hz側へ向かってパワー値をサーチしていき、パワー値が閾値を最初に越えた所のドプラ偏移周波数としている。また、前記流れの方向は、周波数スペクトラムにて最大周波数ｆpeakまたは平均周波数ｆmeanがプラス側（（＋）ｆ側）にあれば順流方向、マイナス側（（−）ｆ側）にあれば逆流方向となる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波診断装置の最高周波数の検出アルゴリズムでは、閾値を比率Ａに設定した場合、図１３（ａ）に示すように低Ｓ／Ｎ比のときに検出される最高周波数（ｆmax-A ）は良いが、図１３（ｂ）に示すように高Ｓ／Ｎ比のときに検出される最高周波数（ｆmax-A ）は低めの値となり、閾値を比率Ｂに設定した場合、図１３（ｂ）に示すように高Ｓ／Ｎ比のときに検出される最高周波数（ｆmax-B ）は良いが、図１３（ａ）に示すように低Ｓ／Ｎ比のときに検出される最高周波数（ｆmax-B ）は高めの値になるという問題がある。
【００１８】
また、従来の超音波診断装置の最高周波数の検出アルゴリズムでは、閾値を最初に越える所のドプラ偏移周波数を最高周波数としているので、ノイズ成分でも最高周波数と検出する場合があった。
【００１９】
さらに、従来の超音波診断装置の最高周波数の検出アルゴリズムでは、平均処理をしていない周波数スペクトルを用いて最高周波数の検出を行っているため、ノイズ成分でも最高周波数と検出する場合があった。
【００２０】
このため、正確な最高周波数の検出に時間が掛かり、操作者の大きな負担となっていたと同時に、診断に非常に多くの時間が掛かっていた。
【００２１】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、ノイズの影響を少なくして最高周波数を検出することでその検出精度を向上させ、操作者の負担を軽減でき、さらに、診断時間を著しく短縮できる超音波診断装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、被検体内に超音波を送受波し、これにより得られた受信信号からドプラ信号を抽出し、このドプラ信号を処理して周波数スペクトラムを得、この周波数スペクトラムを表示するとともに、前記周波数スペクトラムの各周波数についての最高周波数を検出する超音波診断装置において、前記周波数スペクトラムの各周波数の信号強度を示すデータ値について、流れ方向側端部から周波数０Ｈｚの方向に向かって順に検索し、該データ値が予め設定された閾値を所定の周波数幅中で所定回数以上越えた時、その最初に越えた位置を最高周波数とするか、或いは最も信号強度の大きい周波数ないし平均周波数から流れ方向側端部の方向に向かって順に検索し、該データ値が予め設定された閾値を所定の周波数幅中で所定回数以上越えなかった時、その最初に越えなかった位置を最高周波数とすることを要旨とする。
【００２４】
すなわち、周波数スペクトラムを流れ方向側端部から周波数０Ｈｚに向かって順に検索する場合、検索開始当初は各データ値は予め設定された閾値より信号強度が低く、ノイズによる不規則な変動を伴って徐々に信号強度が高くなると考えられる。そして各周波数の信号強度を示すデータ値が所定の周波数幅中で所定回数以上閾値を越える時、その最初に閾値を越える位置を最高周波数とする。
【００２５】
これとは逆に、周波数スペクトラムを最も信号強度の大きい周波数ないし平均周波数から流れ方向側端部に向かって順に検索する場合、検索開始当初は各データ値は予め設定された閾値より信号強度が高く、ノイズによる不規則な変動を伴って徐々に信号強度が低くなると考えられる。そして各周波数の信号強度を示すデータ値が所定の周波数幅中で所定回数以上閾値を越えない時、その最初に閾値を越えない位置を最高周波数とする。
【００２６】
また本発明は、前記周波数スペクトラムを時間方向、周波数方向の少なくとも一方向について平均処理する平均処理手段と、前記平均処理手段により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数の信号強度を示すデータ値について、流れ方向側端部から周波数０Ｈｚの方向に向かって順に検索し、該データ値が予め設定された閾値を所定の周波数幅中で所定回数以上越えた時、その最初に越えた位置を最高周波数とするか、或いは最も信号強度の大きい周波数ないし平均周波数から流れ方向側端部の方向に向かって順に検索し、該データ値が予め設定された閾値を所定の周波数幅中で所定回数以上越えなかった時、その最初に越えなかった位置を最高周波数とする最高周波数抽出手段と、を備えることを要旨とする。
【００２７】
また本発明は、前記周波数スペクトラムを時間方向、周波数方向の少なくとも一方向について平均処理する平均処理手段と、前記平均処理手段により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数について、その信号値とノイズ値とを基に、最高周波数の閾値を演算する閾値演算手段とをさらに備え、前記平均処理手段により平均処理された周波数スペクトラムに対して、前記演算された閾値を用いて最高周波数を検索することができる。
【００２８】
さらに、前記最高周波数をリアルタイム表示する場合は、所定の演算処理を省いて最高周波数を求め、前記最高周波数を画像フリーズ後に表示させる命令が出力されたときは全ての演算処理を行って最高周波数を求める。さらに、前記周波数スペクトラムをフリーズして表示させる命令が出力されたときのみ前記最高周波数を求める。これらにより、前記平均処理手段、前記最高周波数抽出手段、前記閾値演算手段に掛かる負担を軽減させる。
【００２９】
さらに、前記閾値演算手段は、前記平均処理手段により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数について、そのデータ中の最大値もしくは平均値をその周波数の信号値とするとともに、前記各周波数について、そのデータ中の所定の領域をノイズとし、前記ノイズとする領域のデータの平均値をノイズ値として前記最高周波数の閾値を演算することを特徴としている。
【００３０】
さらに、流れ方向を検出する手段は、前記周波数スペクトラムの周波数軸において、データ値が最大となる最大周波数または周波数スペクトラムの平均周波数が周波数０に対して位置する側を流れ方向として検出する。
【００４０】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る超音波診断装置の実施の形態を示す機能ブロック図である。
【００４１】
図１に示すように、本実施例の超音波診断装置１０は、電子走査型超音波プローブ（以下超音波プローブと記す）１１と、電子走査装置アナログ部１３と、走査変換手段（ディジタル・スキャン・コンバータ，以下ＤＳＣと記す）３０と、Ｄ／Ａ変換器３１と、表示器３３と、入力手段としてのトラックボール３５と、ミキサ４０と、９０゜位相器４１と、ローパスフィルタ４３と、スペクトラムドプラ演算部５０と、最高周波数検出部８０とを備えている。
【００４２】
また、電子走査装置アナログ部１３は、基準信号発生器２０と、ディレーライン２１と、パルサ２３と、プリアンプ２５と、加算器２７と、検波器２９とから成る。
【００４３】
まず、電子走査装置アナログ部１３では、基準信号発生器２０から出力される基準信号を基に、ディレーライン２１により超音波プローブ１１の振動子の駆動タイミングが制御された後、パルサ２３により超音波プローブ１１の振動子が駆動される。これにより超音波プローブ１１の振動子は生体内に超音波を送波する。また、その反射波信号がプリアンプ２３により増幅され、ディレーライン２１により受信タイミングが制御されて加算器２５により加算される。
【００４４】
次いで加算器２５から出力された信号の一方は検出器２９に供給され、そこで対数増幅処理、包絡線検波処理を経てＤＳＣ３０へ送られＢモード像として形成され、Ｄ／Ａ変換器３１を介して表示器３３に表示される。
【００４５】
他方、加算器２５からの出力はミキサ４０にも加えられる。また、９０゜位相器４１よって基準信号発生器２０からの基準信号ｆ0 が９０゜の位相差でミキサ４０に加えられる。
【００４６】
この結果、ローパスフィルタ４３にはドプラ偏移信号ｆｄと（２ｆ0 ＋ｆｄ）信号が入力され、ローパスフィルタ４３によって高周波成分が除去されてドプラ偏移信号ｆｄのみが得られる。これは血流情報演算のための位相検波出力信号となる。
【００４７】
ローパスフィルタ４３より出力された位相検波出力信号はスペクトラムドプラ演算部５０に加えられる。なお、血流が流れている深さの位置だけのドプラ信号を抽出するために、前記ローパスフィルタ４３からの位相検波出力信号はサンプルホールド回路６１に出力する。
【００４８】
レンジゲート回路６０は、遅延時間が任意に設定できるが、ここでは、超音波が超音波プローブ１１の振動子からレンジゲート位置（サンプリングポイント位置）までの往復する時間だけレートパルスより遅延させ、設定された長さに対応する幅を有するサンプリングパルスをサンプリングホールド回路６１に加える。サンプルホールド回路６１は、サンプリングパルスによりローパスフィルタ４３の出力信号をサンプルホールドする。バンドパスフィルタ６３は、サンプルホールド回路６１でのサンプリングにより生じた高周波成分並びに血管等の固定反射信号または比較的ゆっくりした動きによるドプラ偏移周波数を除去し、血流によるドプラ信号のみを抽出する。バンドパスフィルタ６３からの出力は、Ａ／Ｄ変換器６５でディジタル信号に変換された後、周波数分析器としてのＦＦＴ６７を介して周波数スペクトルに変換され、ＤＳＣ３０、Ｄ／Ａ変換器３１を介して表示器３３に表示される。
【００４９】
また、前記周波数スペクトルに変換された信号は、最高周波数検出部８０に送られる。これを基に最高周波数検出部８０では最高周波数が検出される。この検出された最高周波数も表示器３３に表示される。
【００５０】
表示器３３は、ドプラ周波数の周波数スペクトルとともにドプラ周波数の最高周波数の時間経過に伴う推移を表示し、その表示は、横軸（Ｘ軸）に時間、縦軸（Ｙ軸）にドプラ偏移周波数、輝度軸（Ｚ軸）に信号強度または信号パワーを表示しており、この表示は通常ソナグラム表示と呼ばれている。
【００５１】
トラックボール３５は、周波数スペクトラム及び最高周波数の時間経過に伴う推移が表示された表示器３３の画面上で、ノイズなどの影響により異常な最高周波数が表示されている期間をオペレータが指定して補間させたり、この期間の推測される最高周波数値をオペレータが入力する際に使用される入力手段である。この入力手段は、トラックボールに限らず、マウス、ライトペン、キーボード等の他の入力手段であってもかまわない。
【００５２】
図２は、本実施例の超音波診断装置１０の特徴である最高周波数検出部８０を示す機能ブロック図である。
最高周波数検出部８０は、並べ変え部８１と、リニア軸変換部８３と、スペクトラム平均部８５と、ノイズ検出部８７と、信号値検出部８９と、閾値演算部９１と、流れ方向検出部９３と、最高周波数抽出部９５と、最高周波数補間部９６と、平均処理部９７と、最高周波数補正部９８とから成る。
【００５３】
まず、ＦＦＴ６７により周波数スペクトルに変換された信号は最高周波数検出手段８０の並べ変え部８１に供給される。
並べ変え部８１は、ＦＦＴ６７から供給された周波数スペクトルの各周波数軸について平均周波数もしくは最大周波数が中心に位置にするようにデータ列の並べ換えを行う。
【００５４】
例えば、図３に示すような周波数スペクトルの時系列がＦＦＴ６７から供給されたとする。このとき、図３に示すある時刻における一周波数軸について、周波数に対するパワー値（輝度値）を示すと図４（ａ）のようになり、ドプラ偏移周波数０が中心となっている。なお、図３、図４中、ｔは時間、ｆは周波数、Ｐはパワー値を表し、以下図５〜図７についても同様とする。
【００５５】
この状態で平均処理等を行うとデータの折り返りにより正確な処理が行えないため、図４（ｂ）に示すように平均周波数ｆmean（または最大周波数）が中心にくるようにデータ列の並べ変えを行う。なお、データの折り返りが生じない範囲の周波数帯である場合、この処理は省略しても良い。
【００５６】
リニア軸変換部８３は、ＦＦＴ６７によりログ変換されたデータをリニア軸の数に変換する。なお、前記ログ変換されたデータを用いて演算処理を行っても誤差が少ない場合、この処理は省略しても良いし、上端、下端どちらか一方でも良い。
【００５７】
スペクトラム平均部８５は、前記並べ変え部８１によりデータ列の並べ変え、前記リニア軸変換部８３によりリニア軸の数に変換された周波数スペクトラムについて、周波数軸方向、時間軸方向に平均処理を行う。なお、前記周波数軸方向、時間軸方向の内、いずれか一方向について平均処理するようにしても良い。
【００５８】
ノイズ検出部８７は、スペクトラム平均部８５により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数軸について、上端側、下端側それぞれ所定の領域をノイズ領域Ｎｒとし、このノイズ領域Ｎｒ内のパワー値の平均をノイズ値Ｎとする。例えば、図５（ａ）に示す一周波数軸についてのノイズ領域Ｎｒは、図５（ｂ）に示すような領域となる。なお、ここでは各周波数軸について、上端側、下端側それぞれ所定の領域をノイズ領域Ｎｒとしてノイズ値を求めているが、これに限らず、複数の周波数軸について、上端側、下端側それぞれ所定の領域をノイズ領域Ｎｒとしてノイズ値を求めるようにしても良い。
【００５９】
また、最高周波数の検出（表示）を、ある一定時間幅を指示して行う場合には、その時間幅内の所定領域をＮｒとしても良い。
【００６０】
信号値検出部８９は、スペクトラム平均部８５により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数軸について、パワー値の最大値を信号値Ｓとする。例えば図６に示すような周波数スペクトルがスペクトラム平均部８５により供給されたとき、図６に示す一周波数軸については図６（ｂ）に示すように、パワー値の最大値（Ｐｅａｋ）が信号値Ｓとなる。
【００６１】
なお、前記各周波数軸について、最大値の前後所定数の周波数に対応するパワー値の平均もしくは平均周波数に対応するパワー値を信号値Ｓとするようにしても良い。
【００６２】
閾値演算部９１は、ノイズ検出部８７によりノイズ値、信号値検出部８９により信号値が得られると、前記得られたノイズ値と信号値を基に以下に示す式（４）ないし式（６）のいずれかを用いて閾値Ｔｈを演算する。
Ｔｈ＝（Ｓ＋Ｎ）／２ …（４）
またはＴｈ＝（Ｓ／Ｎ）^1/2＊Ｎ …（５）
またはＴｈ＝Ｎ＊Ｃ（ｃｏｎｓｔ．） …（６）
【００６３】
流れ方向検出部９３は、スペクトラム平均部８５により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数軸について、最大周波数ｆpeak（または平均周波数ｆmean）がプラス側にある場合は、流れの方向を順流方向（超音波プローブに近付く方向）とし、最大周波数ｆpeak（または平均周波数ｆmean）がマイナス側にある場合は、流れの方向を逆流方向（超音波プローブから遠ざかる方向）とする。また、スペクトラム平均部８５により平均処理された周波数スペクトラムを最高周波数抽出部９５に供給する。
【００６４】
例えば図６に示すような周波数スペクトルがスペクトラム平均部８５により供給され、このとき、図６に示す一周波数軸について、周波数に対するパワー値を示すと図６（ｂ）に示すようになる。この場合、最大周波数はプラス側にあるので流れの方向は順流方向と検出される。なお、前記流れの方向および閾値は、操作者が入力するようにしても良い。
【００６５】
最高周波数抽出部９５は、閾値演算部９１により閾値が演算されるとともに、流れ方向検出部９３により流れ方向が検出され、かつ、流れ方向検出部９３から周波数スペクトラムが供給されると、前記周波数スペクトラムの各周波数軸について、前記検出された流れの方向の端部から０Hz側に向かってパワー値をサーチして行き、前記パワー値が閾値を連続してＮ個越えた最初の位置のドプラ偏移周波数を最高周波数ｆmax とする。
【００６６】
例えば、閾値を連続して４個越えた最初の位置のドプラ偏移周波数を最高周波数ｆmax とするように最高周波数抽出部９５に設定し、そして、図７（ａ）に示すような周波数スペクトラムがスペクトラム平均部８５から流れ方向検出部９３を介して供給され、図７（ａ）に示す一周波数について、周波数に対するパワー値が図７（ｂ）に示すように得られたとする。このとき、流れの方向は順流方向であるので、最高周波数抽出部９５はプラス側の端部から０Hz側に向かってサーチしていき、図７（ｂ）に示すように閾値を連続して４個越えた最初の位置のドプラ偏移周波数を最高周波数ｆmax とする。
【００６７】
なお、ここでは前記パワー値が閾値を連続してＮ個越えた最初の位置のドプラ偏移周波数を最高周波数ｆmax としているが、連続して越えていなくても、Ｍ個中Ｒ個越えた場合は、その最初に越えた位置のドプラ偏移周波数を最高周波数ｆmax とするようにしても良い。さらに、スペクトラム平均部８５により時間軸方向に平均処理を行った場合は、その平均幅の分、元に戻すように最高周波数を補正しても良い。
【００６８】
最高周波数抽出部９５による周波数スペクトラムのサーチにおいて、上記のように流れ方向端部からサーチする他に、パワー値が最大となる最大周波数またはパワー値が平均となる平均周波数から流れ方向端部に向かってサーチしても良い。この場合には、閾値より十分大きいパワー値を持つ周波数から検索を開始して、各周波数のパワー値が閾値を下回る周波数を求めることとなるので、例えば、閾値を連続して４個下回った最初の位置のドプラ偏移周波数を最高周波数ｆmax とする。
【００６９】
また最高周波数抽出部９５による最高周波数抽出において、最高周波数検出窓という概念を導入し、最高周波数抽出の耐ノイズ性を高めることも考えられる。即ち、ある時刻ｔ１の周波数スペクトルから最高周波数ｆ１が抽出されたとしたとき、次の時刻ｔ２の周波数スペクトルから抽出される最高周波数はｆ１から大きく離れているとは考えられないので、ｆ１に基づいて妥当な範囲であるｆｗを定数ａ，ｂを使用して、
（ｆ１−ａ）≦ｆｗ≦（ｆ１＋ａ） …（２）
または、
【数２】
ｆ１×（１−ｂ）≦ｆｗ≦ｆ１×（１＋ｂ） …（３）
式（２）または式（３）によって定める。
【００７０】
そして、時刻ｔ２の周波数スペクトルから抽出される最高周波数は、このｆｗの範囲に入る最高周波数値のみを有効な値とし、この範囲に入らない値はノイズ等による誤りとして最高周波数値が検出されなかったとする。
【００７１】
また、従来は図８（ａ）に示すように、最高周波数値が実際に検出されず０Ｈｚとなった場合、その期間の最高周波数値の軌跡は、０Ｈｚとなり不自然な表示となっていたが、本発明を適用すれば、最高周波数値が実際に検出されず０Ｈｚとなった場合、または上記最高周波数検出窓の範囲に入らなかった場合に、その期間が一定範囲内であれば、この期間の最高周波数値を補間することができる。この補間機能は、最高周波数補間部９６のソフトウェアにより実現され、最高周波数値が検出されなかった期間の前後の期間に抽出された最高周波数値を用いて、最高周波数値を補間するものであり、その表示は図８（ｂ）に示すようになる。補間方法には、直線補間、２次曲線補間、３次曲線補間等があり、いずれの補間方法を選んでも良い。
【００７２】
なお、実時間で周波数スペクトラム及び最高周波数を検出して表示するリアルタイムオートトレースを行う場合には、最後に検出された最高周波数値をホールドし、この値を最高周波数が検出されなかった期間の最高周波数値として表示し、これ以後新たに最高周波数値が検出されるとその値を表示するようにしてもよい。
【００７３】
平均処理部９７は、最高周波数抽出部９５により最高周波数が求められると、この最高周波数に対し、時間軸方向に平均処理を施す。なお、平均処理部９７による平均処理は省略しても良い。
こうして得られた最高周波数はＤＳＣ３０に供給され、Ｄ／Ａ変換器３１を介して表示器３３に表示される。
【００７４】
このように本実施例の超音波診断装置１０では、周波数分析器であるＦＦＴ６７から供給される周波数スペクトラムを各周波数軸について、データ列の並べ変え、リニア軸の数への変換および平均処理を行った後、ノイズ値と信号値を求め、それを基に閾値を演算するとともに流れ方向を検出し、前記検出された流れの方向の端部から０Hz側に向かって、または最大のパワー値を持つ最大周波数ないし平均のパワー値を持つ平均周波数から流れ方向端部へ向かって、パワー値をサーチして行き、前記パワー値が閾値を連続してＮ個越えた最初の位置のドプラ偏移周波数を最高周波数ｆmax としているので、ノイズの影響を少なくすることができ、そのため、最高周波数の検出精度を向上させることが可能となる。また、特別な操作を行うこと無く前記検出精度を向上させることができるので、操作者の負担が軽減し、さらに、診断時間を著しく短縮することができる。
【００７５】
なお、最高周波数をリアルタイム表示する場合は、演算処理時間を短縮させるために所定の演算処理（並べ変え部８１によるデータ列の並べ変え、リニア軸変換部８３によるリニア軸の数への変換、スペクトラム平均部８５による周波数軸方向の平均処理または時間軸方向の平均処理、平均処理部９７による平均処理の内、少なくとも一つ）を省いて最高周波数を求め、また、最高周波数をフリーズ後に表示させる命令が出力されたときは全ての演算処理を行って最高周波数を求めるようにしても良い。さらに、本実施例の超音波診断装置１０では、最高周波数をリアルタイムで求める場合を例に説明したが、これに限らず、例えば、周波数スペクトルをフリーズさせる命令が図示しない入力手段を介してオペレータにより出されたときのみ前記最高周波数を求めるようにしても良い。これらにより、スペクトラム平均部８５、閾値演算部９１、最高周波数抽出部９５に掛かる負担を軽減させることができる。
【００７６】
また、並べ変え部８１と、リニア軸変換部８３とスペクトラム平均部８５とノイズ検出部８７と信号値検出部８９と流れ方向検出部９３と閾値演算部９１と最高周波数抽出部９５と平均処理部９７の各処理については、その一部または全てをソフトウェアで行うようにしても良い。
【００７７】
また、本発明によれば、オペレータの判断により最高周波数の時間経過をマニュアルで修正することができる。このマニュアル修正機能は、最高周波数補間部９６及び最高周波数修正部９８のソフトウェアによって実現され、ノイズなどの影響を受けた周波数スペクトラムにより上記の自動最高周波数検出を行った結果、ほんの僅かの最高周波数のミストレースが生じた場合、この僅かのミストレースのために再度データを収集、分析するのではなく、ノイズによりミストレースした部分をマニュアル修正するものである。
【００７８】
図９（ａ）ないし（ｄ）は、マニュアル修正機能による最高周波数トレースの修正の様子を示す周波数スペクトラム及び最高周波数を表示する画面の変遷である。また図１０は、マニュアル修正の操作を示すフローチャートである。
【００７９】
図１０のフローチャートにおいて、まず、ドプラ周波数偏移の周波数スペクトラム及び自動検出された最高周波数の時間経過であるトレースが表示器３３に表示される（ステップＳ１０）。この表示が例えば、図９（ａ）に示すようにノイズ等の影響により、ドプラ周波数偏移トレースの一部に最高周波数が高い値へ突出していたとする。
【００８０】
オペレータはノイズの影響の程度を判断して、再度データを取るか、マニュアル修正機能を使用してデータを修正するかを決め、マニュアル修正をする場合、修正作業開始を入力する（ステップＳ１２）。修正作業開始の入力には、修正作業開始スイッチを別途設けて認識してもよいし、トラックボールにより修正作業開始のアイコンを指定するか又はトラックボール３５の作動を検知して入力作業開始を認識してもよい。
【００８１】
次いで、最高周波数トレースを修正すべき修正期間の始点ｔ１にトラックボールによりカーソルを合わせて始点ｔ１を指定する（ステップＳ１４）。次いで、修正期間の終点ｔ２にトラックボールによりカーソルを合わせて終点ｔ２を指定する（ステップＳ１６）。始点と終点とが指定された状態を図９（ｂ）に示す。なお、始点と終点の指定は順序が入れ替わってもよい。ここで、修正期間が指定されると同時に修正期間の最高周波数の自動トレースを消してもよいが、補間によるトレースまたはマニュアルトレースにより最高周波数トレースが確定するまで異なる色で２つのトレースを表示してもよい。
【００８２】
次いで、修正期間の最高周波数値をマニュアルで入力するか、入力しないで修正期間の前後の期間の値から補間するかを指定する（ステップＳ１８）。これは極めて僅かのミストレースであれば、人手により修正値を入力しなくても補間により十分修正できるからである。
【００８３】
マニュアルトレースしない場合には（ステップＳ１８でＮｏの場合）、修正期間の前後の期間の最高周波数値から補間を行い（ステップＳ３０）、修正期間の最高周波数値を補間曲線（または補間直線）により代替して（ステップＳ３２）、終了する。
【００８４】
一方マニュアルトレースする場合には（ステップＳ１８でＹｅｓの場合）、トラックボールによりカーソルを移動させて、時間軸座標と周波数軸座標とからなる修正点を入力する（ステップＳ２０）。修正点を入力した状態を図９（ｃ）に示す。修正点は複数入力してもよい。修正点の入力が終了すれば（ステップＳ２２でＹｅｓ）、修正期間両端の２つの最高周波数値と、入力された修正点（または修正点列）よりスプライン曲線を計算して表示器の画面に描画する（ステップＳ２４）。次いで、修正期間の最高周波数値をスプライン曲線により代替して（ステップＳ２６）、マニュアル修正作業を終了する。
【００８５】
なお、図１０のフローチャートでは、１つまたは複数の修正点を入力してスプライン曲線により最高周波数トレースを修正するとしたが、トレース（修正曲線）そのものを入力してもよい。この場合には、入力されたトレースを自動的に滑らかにする平均化ないし平滑化をさらに行ってもよい。
【００８６】
以上好ましい実施の形態をパルスドプラを用いた場合を例にして説明したが、これに限らず、連続波ドプラを用いた場合でも、本発明を適用できることは明らかである。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、周波数スペクトルの各周波数について、そのデータ値の内、流れ方向側端部から順にサーチしていき、該値が予め設定されている閾値を所定のデータ幅中で所定数越えた時、その最初に越えた位置を最高周波数としているので、ノイズの影響を少なくすることができ、そのため、最高周波数の検出精度を向上させることが可能となる。また、特別な操作を行うこと無く前記検出精度を向上させることができるので、操作者の負担が軽減し、さらに、診断時間を著しく短縮することができる。
【００８８】
また、周波数スペクトラムを時間方向、周波数方向の少なくとも一方向について平均処理した後、その周波数スペクトルの各周波数について、そのデータ値の内、流れ方向側端部から順にサーチしていき、該値が予め設定されている閾値を所定のデータ幅中で所定数越えた時、その最初に越えた位置を最高周波数としているので、ノイズの影響を少なくすることができ、そのため、最高周波数の検出精度を向上させることが可能となる。また、特別な操作を行うこと無く前記検出精度を向上させることができるので、操作者の負担が軽減し、さらに、診断時間を著しく短縮することができる。
【００８９】
さらに、周波数スペクトラムを時間方向、周波数方向の少なくとも一方向について平均処理した後、その周波数スペクトルの各周波数について、その信号値とノイズ値とを基に、最高周波数の閾値を演算するとともに、前記平均処理された周波数スペクトルの各周波数について、そのデータ値の内、流れ方向側端部から順にサーチしていき、該値が前記閾値演算手段により演算された閾値を所定のデータ幅中で所定数越えた時、その最初に越えた位置を最高周波数としているので、ノイズの影響を少なくすることができ、そのため、最高周波数の検出精度を向上させることが可能となる。また、特別な操作を行うこと無く前記検出精度を向上させることができるので、操作者の負担が軽減し、さらに、診断時間を著しく短縮することができる。
【００９０】
さらに、最高周波数をリアルタイム表示する場合は、所定の演算処理を省いて最高周波数を求め、前記最高周波数をフリーズ後に表示させる命令が出力されたときは全ての演算処理を行って最高周波数を求めるようにしているので、前記演算処理に掛かる負担を軽減させることができる。
【００９１】
さらに、周波数スペクトラムをフリーズさせる命令が出力されたときのみ前記最高周波数を求めるようにしているので、前記演算処理に掛かる負担を軽減させることができる。
【００９２】
さらに、ノイズ等の影響により、最高周波数トレースが少しだけ誤った場合には、マニュアルで誤った期間を修正期間と指定し、修正期間の前後の期間の最高周波数値から補間したり、必要ならば推測される正しい値である修正点ないし修正トレースそのものをマニュアルで入力することにより、誤ったデータを簡単に修正することができるので、再度データ収集する必要がなくなり、診断時間を短縮し、操作者の負担を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波診断装置の一実施例を示す機能ブロック図である。
【図２】図１に示す超音波診断装置の最高周波数検出部８０を示す機能ブロック図である。
【図３】周波数スペクトルの一例を示す説明図である。
【図４】図３に示す周波数スペクトルの一周波数軸について、周波数に対するパワー値を示す説明図である。
【図５】周波数スペクトル上のノイズ領域Ｎｒ（図５（ａ））と、周波数スペクトルの一周波数軸についてのノイズ領域Ｎｒ（図５（ｂａ））を示す説明図である。
【図６】周波数スペクトル（図６（ａ））の一周波数軸について、パワー値の最大値（図６（ｂ））を示す説明図である。
【図７】周波数スペクトル（図７（ａ））の一周波数軸について、最高周波数ｆmax （図７（ｂ））を示す説明図である。
【図８】従来の最高周波数値が検出できなかった期間を含むトレース（図８（ａ））、及び本発明による最高周波数値の補間を含むトレース（図８（ｂ））を示す説明図である。
【図９】マニュアル修正機能による最高周波数トレースの修正の様子を示す周波数スペクトラム及び最高周波数値を表示する画面の変遷を示す説明図である。
【図１０】マニュアル修正の操作を示すフローチャートである。
【図１１】従来の超音波診断装置を示す機能ブロック図である。
【図１２】従来の超音波診断装置により発生されるクロックパルスと、レートパルスと、サンプリングパルスおよび超音波診断装置により受信されたエコー信号を示す説明図である。
【図１３】従来の最高周波数の検出アルゴリズムの例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０超音波診断装置、１１超音波プローブ、１３電子走査装置アナログ部、２０基準信号発生器、２１ディレーライン、２３パルサ、２５プリアンプ、２７加算器、２９検波器、３０ＤＳＣ、３１Ｄ／Ａ変換器、３３表示器、３５トラックボール、４０ミキサ、４１９０゜位相器、４３ローパスフィルタ、５０スペクトラムドプラ演算部、６０レンジゲート回路、６１サンプルホールド回路、６３バンドパスフィルタ、６５Ａ／Ｄ変換器、６７ＦＦＴ、８０最高周波数検出部、８１並べ変え部、８３リニア軸変換部、８５スペクトラム平均部、８７ノイズ検出部、８９信号値検出部、９１閾値演算部、９３流れ方向検出部、９５最高周波数抽出部、９６最高周波数補間部、９７平均処理部、９８最高周波数修正部。

Claims

被検体内に超音波を送受波し、これにより得られた受信信号からドプラ信号を抽出し、このドプラ信号を処理して時系列の周波数スペクトラムを得、この周波数スペクトラムを表示するとともに、前記周波数スペクトラムの各時点における各周波数についての最高周波数を検出する超音波診断装置において、
前記周波数スペクトラムの各周波数の信号強度を示すデータ値について、
流れ方向側端部から周波数０Ｈｚの方向に向かって順に検索し、該データ値が予め設定された閾値を所定の周波数幅中で所定回数以上越えた時、前記所定回数越えた位置のうち、最も流れ方向側端部に近い位置を最高周波数とするか、
或いは最も信号強度の大きい周波数ないし平均周波数から流れ方向側端部の方向に向かって順に検索し、該データ値が予め設定された閾値を所定の周波数幅中で所定回数以上越えなかった時、前記所定回数越えなかった位置のうち、最も周波数０Ｈｚに近い位置を最高周波数とすることを特徴とする超音波診断装置。
被検体内に超音波を送受波し、これにより得られた受信信号からドプラ信号を抽出し、このドプラ信号を処理して時系列の周波数スペクトラムを得、この周波数スペクトラムを表示するとともに、前記周波数スペクトラムの各時点における最高周波数を検出する超音波診断装置において、
前記周波数スペクトラムを時間方向、周波数方向の少なくとも一方向について平均処理する平均処理手段と、
前記平均処理手段により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数の信号強度を示すデータ値について、流れ方向側端部から周波数０Ｈｚの方向に向かって順に検索し、該データ値が予め設定された閾値を所定の周波数幅中で所定回数以上越えた時、前記所定回数越えた位置のうち、最も流れ方向側端部に近い位置を最高周波数とするか、或いは最も信号強度の大きい周波数ないし平均周波数から流れ方向側端部の方向に向かって順に検索し、該データ値が予め設定された閾値を所定の周波数幅中で所定回数以上越えなかった時、
前記所定回数越えなかった位置のうち、最も周波数０Ｈｚに近い位置を最高周波数とする最高周波数抽出手段と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置。
被検体内に超音波を送受波し、これにより得られた受信信号からドプラ信号を抽出し、このドプラ信号を処理して時系列の周波数スペクトラムを得、この周波数スペクトラムを表示するとともに、前記周波数スペクトラムの各時点における最高周波数を検出する超音波診断装置において、
前記周波数スペクトラムを時間方向、周波数方向の少なくとも一方向について平均処理する平均処理手段と、
前記平均処理手段により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数について、その信号値とノイズ値とを基に、最高周波数の閾値を演算する閾値演算手段と、
前記平均処理手段により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数の信号強度を示すデータ値について、流れ方向側端部から周波数０Ｈｚの方向に向かって順に検索し、該データ値が予め設定された閾値を所定の周波数幅中で所定回数以上越えた時、前記所定回数越えた位置のうち、最も流れ方向側端部に近い位置を最高周波数とするか、或いは最も信号強度の大きい周波数ないし平均周波数から流れ方向側端部の方向に向かって順に検索し、該データ値が予め設定された閾値を所定の周波数幅中で所定回数以上越えなかった時、
前記所定回数越えなかった位置のうち、最も周波数０Ｈｚに近い位置を最高周波数とする最高周波数抽出手段と、
を備えることを特徴とする超音波診断装置。
前記閾値演算手段は、前記平均処理手段により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数軸でその信号値とノイズ値との比を基に、最高周波数の閾値を演算することを特徴とする請求項３記載の超音波診断装置。
前記閾値演算手段は、前記平均処理手段により平均処理された周波数スペクトラムの各周波数について、そのデータ中の最大値もしくは平均値をその周波数の信号値とするとともに、前記各周波数について、そのデータ中の所定の領域をノイズとし、前記ノイズとする領域のデータの平均値をノイズ値として前記最高周波数の閾値を演算することを特徴とする請求項３または請求項４いずれか記載の超音波診断装置。
被検体内に超音波を送受波し、これにより得られた受信信号からドプラ信号を抽出し、このドプラ信号を処理して周波数スペクトラムを得、この周波数スペクトラムを表示するとともに、前記周波数スペクトラムの各周波数についての最高周波数を検出する超音波診断装置において、
前記最高周波数をリアルタイム表示する場合は、所定の演算処理を省いて最高周波数を求め、前記最高周波数を画像フリーズ後に表示させる命令が出力されたときは全ての演算処理を行って最高周波数を求めることを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか１項記載の超音波診断装置。
被検体内に超音波を送受波し、これにより得られた受信信号からドプラ信号を抽出し、このドプラ信号を処理して周波数スペクトラムを得、この周波数スペクトラムを表示するとともに、前記周波数スペクトラムの各周波数についての最高周波数を検出する超音波診断装置において、
前記周波数スペクトラムをフリーズさせる命令が出力されたときのみ前記最高周波数を求めることを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか１項記載の超音波診断装置。
前記周波数スペクトラムの周波数軸において、データ値が最大となる最大周波数または周波数スペクトラムの平均周波数が周波数０に対して位置する側を流れ方向として検出する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７いずれか１項記載の超音波診断装置。